煤礦充填開采技術應用研究

邱承盛 杜長友 許亞軍

摘 要：經(jīng)過近十年的發(fā)展，充填采煤技術已成為解決煤炭開采與環(huán)境保護問題最有效的技術途徑之一，形成了固體直接充填、膏體充填和高水材料充填“三大類”生產(chǎn)工藝技術體系，其推廣應用得到了國家和地方政府的大力扶助。充填采煤是綠色開采的核心，對煤礦充填開采而言，如何提高充填采煤效率、降低充填成本是需要持續(xù)深入研究的問題。本文結合煤系層狀覆巖移動特點和控制要求研發(fā)的部分充填采煤技術，為上述問題的解決提供了一條重要途徑。

關鍵詞：充填采煤;機械化開采;充填與采煤一體化

21世紀是我國小康社會發(fā)展的關鍵時期，也是經(jīng)濟發(fā)展模式和發(fā)展的轉型時期，如何處理好經(jīng)濟轉型與發(fā)展的關系已經(jīng)成為當今發(fā)展的一個主要問題。充填開采技術的實施，符合我國經(jīng)濟發(fā)展的主要思路，利用煤研石等采礦廢棄物對采空區(qū)進行充填，既可以避免因采動而造成的地面移動變形下沉所帶來的生態(tài)及社會問題，又可以保護水資源、環(huán)境資源不受破壞，同時很大程度的提高了資源回收的效率，為村莊下等“三下”煤炭的開采提供了有效的解決方法，另外還可以解決采空區(qū)自燃發(fā)火、瓦斯積聚帶來的不安全問題，為礦山安全發(fā)展，小康社會的平穩(wěn)推進起到了重要的作用。

一、充填采煤技術工藝

（1） 膠結充填采礦法

膠結充填主要是應用膠結材料將充填骨料和水一起混合形成新的充填材料，似膏體充填、膏體充填都是膠結充填，膠結充填采礦法對膠結劑技術條件主要有兩方面要求，首先是膠結劑能夠?qū)⒊涮罟橇虾退炔牧闲纬晒袒镔|(zhì)，固化物質(zhì)的強度能夠滿足巖層控制的需要;第二是膠結劑的成本要較為低廉，能夠滿足煤礦生產(chǎn)經(jīng)濟需求。

（2） 覆巖離層注漿充填法

覆巖離層注漿充填法是將充填材料利用高壓泵輸送到開抽覆巖產(chǎn)生的開裂空間內(nèi)，通過充填材料占據(jù)裂隙空間從而達到控制減緩巖層彎曲下沉的目的，該方法的應用具有一定的條件性，首先是離層發(fā)展要較為充分，同時能夠準確的判斷離層空間的位置，對鉆機也有相應的要求。

（3） 冒落研石空隙注漿膠結充填減沉法

冒落研石空隙注漿膠結充填減沉法是利用膠結材料將采空區(qū)內(nèi)碎脹巖石相互膠結，從而達到控制巖層下沉的一種技術手段，具有可與采煤平行作業(yè)、無濾水工藝、強度較高等優(yōu)點，現(xiàn)在尚處于實驗階段。

（4） 粉煤灰部分代替水泥充填法

該技術主要是在水砂膠結充填的基礎上，應用粉煤灰代替水砂膠結充填中得水泥，實驗和實踐證明粉煤灰在合理的配比方案中具有一定的膠結性能，可以適當?shù)拇嫠嗟墓δ?，在保證充填材料固化強度的基礎上，達到降低充填成本、合理使用廢棄物質(zhì)的目的，在礦山充填領域具有廣闊的應用前景。

（5） 煤研石充填采煤法

研石充填是固體充填方法的一種，主要是應用風力、水力或機械力將研石、碎石等固體材料輸送到充填區(qū)域的一種方法，同時可以加入膠結料或其它添加劑，提高研石等松散介質(zhì)的強度。

（6） 似膏體充填采煤法

似膏體充填技術是第四代充填技術，主要是將粉煤灰、研石粉、巖粉、膠結材料等混合形成新型的充填材料，該項技術具有安全環(huán)保、資源重復利用、強度較高、工藝簡單、價格低廉等優(yōu)勢，在充填采礦中得到了較為廣泛的應用。

二、充填開采方法選擇

煤礦充填開采方法的選擇是在礦井經(jīng)濟、技術、人員、地質(zhì)條件等多種因素條件下開展的，村莊下充填開采的方法根據(jù)充填地點、充填時間、充填程度、充填量的不同，大致可以分為隨采隨沖連續(xù)充填法、短壁間隔充填法、長壁間隔分段充填法、離層區(qū)膏體分區(qū)充填法和采空區(qū)全部充填法五種，下面對這五種充填方法的優(yōu)缺點及適應情況進行分析總結，得出最適合新星煤礦村莊下充填開采的方法。

（1） 隨采隨沖連續(xù)充填法是將充填管道預先埋設在采空區(qū)內(nèi)，隨著工作面的回采推進，在采空區(qū)頂板未完全冒落壓實前，利用充填系統(tǒng)將固體膏體充填進采空區(qū)冒落巖石縫隙內(nèi)，從而提高冒落巖石的固結及支持強度，達到降低地面移動變形的目的。該方法技術簡單，成本低廉，措施可靠，在早期的充填開采中應用效果較好，但該充填方法減沉效果有限， 對地面沉陷控制要求較高的地點不易使用，一般應用于采高較大、地面為農(nóng)田草場等礦區(qū)。

（2） 全采全充法是指在工作面開采過程中，利用膏體、凝膠、似膏體等充填材料將直接頂未冒落區(qū)域全部充填，使采空區(qū)的直接頂受采動影響的冒落條件降低，或使直接頂不冒落，從而達到控制上覆巖層變形及地表下沉變形的目的，全采全充法具有控制地表變形效果好、充填固結體抗壓、抗拉強度高、沉陷下沉數(shù)值微小的優(yōu)點，但是其充填材料需要量較大， 充填工序影響正?；夭蓵r間較長，適用于厚煤層分層開采或?qū)敯逑鲁亮恳筝^高的回采煤層。

（3） 離層區(qū)膏體充填法是根據(jù)“三帶”變形理論，利用鉆孔等方式將充填材料輸送到兩巖層出現(xiàn)的離層區(qū)域，利用充填材料的支撐作用降低巖層變形、沉陷量，從而達到控制地表變形下沉的作用。這種充填方法具有充填量較小、充填材料利用合理、降沉效果明顯等優(yōu)點，但這種充填方法使用的前提是要準確的判斷“三帶”變形趨勢及區(qū)間，了解上覆關鍵層沉陷的主要規(guī)律，適應條件受地質(zhì)及地層條件影響較大，一般適用于覆巖有厚層關鍵層，采深較大的薄及中厚煤層。

（4） 短壁間隔充填法是基于條帶開采工作面充填的一種非全部充填方法，主要實現(xiàn)手段是在開采規(guī)劃中，根據(jù)地質(zhì)及煤層賦存條件，將工作面劃分為若干個開采條帶，條帶之間保留2-8m 的窄煤柱，一個條帶開采后進行膏體充填，相鄰條帶開采可采用垮落法處理頂板，依此類推，與全采全充法和條帶開采相比，短壁間隔充填提高了一半的回采量，同時降低了一倍的充填量，有利于降低開采成本提高資源回收效率，但該方法回采方式受到限制條件較大，工作面搬家次數(shù)較多，一般適用于煤層賦存條件一般、基巖較厚的薄及中厚煤層。

（5） 長壁間隔充填法是指在長壁垮落開采方法的基礎上，沿著工作面推進方向?qū)⒐ぷ髅鎰澐譃槿舾蓚€充填條帶，在工作面回采直接頂板沒有垮落的前提下，沿著直接頂對劃分的條帶進行部分充填，各條帶之間寬度根據(jù)控制下沉水平、經(jīng)濟技術效果等因素合力調(diào)整，該方法既具有條帶開采對地表變形影響較小的優(yōu)點，又具有充填開采資源回收利用率高的優(yōu)點，且對回采工序影響較小、系統(tǒng)與其它充填系統(tǒng)相配套、充填效果顯著等優(yōu)點，適用條件較為廣泛。

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